嚴(yán)國(guó)祥，夏德偉，朱玉乾，王雪飛，劉 洋

（忠旺鋁業(yè)有限公司，北京100020）

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)各地的糧庫(kù)基礎(chǔ)設(shè)施已逐步改進(jìn)并完善，快速高效的地井直下式卸料坑日漸增多，港口糧食的周轉(zhuǎn)流通量日益加大。傳統(tǒng)的糧食袋裝運(yùn)輸逐漸發(fā)展為散裝運(yùn)輸，運(yùn)輸車(chē)輛也由倉(cāng)柵車(chē)逐漸向自卸式車(chē)輛過(guò)渡，大大節(jié)省了人力成本，提高了糧食周轉(zhuǎn)效率。

目前，散裝糧食自卸車(chē)主體結(jié)構(gòu)基本選用鋼制。車(chē)架縱梁、橫梁均由鋼板沖壓成型，車(chē)廂板選用瓦楞板焊接，油缸安裝在車(chē)架上，通過(guò)液壓系統(tǒng)舉升油缸工作，有側(cè)翻和后翻兩種車(chē)型的，下文稱(chēng)液壓自卸半掛車(chē)。還有一種半掛車(chē)，同樣是鋼制結(jié)構(gòu)。它根據(jù)糧食堆積角，將地板設(shè)計(jì)為固定角度的斜面，單側(cè)布置卸料口，頂棚為敞口，通過(guò)港口吊車(chē)或鏟車(chē)裝糧，到達(dá)卸料點(diǎn)后打開(kāi)卸料口可實(shí)現(xiàn)糧食快速卸凈，下文稱(chēng)其為地板傾斜自卸半掛車(chē)。因省卻液壓系統(tǒng)，它比液壓自卸半掛車(chē)自重可減輕1～2 t[2]。

液壓自卸半掛車(chē)和地板傾斜自卸半掛車(chē)運(yùn)輸散裝糧食具有自動(dòng)化程度高、物流環(huán)節(jié)少、人力和物力成本低、運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。但因液壓自卸車(chē)車(chē)輛自重大，標(biāo)載時(shí)可裝糧食少，空載燃油消耗高，在未來(lái)物流運(yùn)輸行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力將越來(lái)越低。地板傾斜自卸車(chē)自重相對(duì)液壓自卸車(chē)較輕，雖然地板可支起、可放平，但因?qū)嶋H操作不便，地板常態(tài)下為傾斜狀態(tài)，車(chē)廂內(nèi)空間變小，糧食裝載量隨之減少，而且只能運(yùn)輸顆粒狀貨物，不能配送托盤(pán)、袋裝或輕拋類(lèi)貨物，貨物種類(lèi)單一，返程空載率高，導(dǎo)致運(yùn)輸效益偏低。為了解決上述兩種車(chē)型存在的問(wèn)題，研發(fā)一種自重更輕、貨物種類(lèi)不受限制的自卸車(chē)就成為糧食運(yùn)輸行業(yè)的迫切需求，可增加單車(chē)糧食裝載量，減小返程空載率，為物流企業(yè)增加收益。

1 車(chē)型設(shè)計(jì)

新車(chē)型的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足目前糧食物流系統(tǒng)對(duì)散裝糧食自卸半掛車(chē)輕量化、貨物種類(lèi)多樣化、人員勞動(dòng)強(qiáng)度低、糧食裝卸效率高的要求，既能滿足地井直下式卸料，也能夠在采用傳送帶的平房倉(cāng)使用，同時(shí)有利于散裝糧食自卸汽車(chē)的應(yīng)用和推廣。通過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)的綜合分析，主車(chē)型設(shè)計(jì)采用牽引車(chē)和并裝三軸半掛車(chē)組成的六軸汽車(chē)列車(chē)，牽引車(chē)驅(qū)動(dòng)形式為6×2，半掛車(chē)行走機(jī)構(gòu)選用單胎空氣懸架。車(chē)廂地板為內(nèi)側(cè)翻活動(dòng)部件，頂棚敞口，左側(cè)雙門(mén)和后門(mén)設(shè)計(jì)為翼開(kāi)啟式結(jié)構(gòu)，方便叉車(chē)裝卸貨物。因整車(chē)除底盤(pán)行走機(jī)構(gòu)及外購(gòu)件外，其余零部件均為鋁合金材質(zhì)，整備質(zhì)量?jī)H6 t，載質(zhì)量高達(dá)33.95 t，有效容積61 m3。常規(guī)地井式卸料坑長(zhǎng)度為6 m，因此該半掛車(chē)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為12.6 m，左側(cè)每扇門(mén)長(zhǎng)6 m，底部均布5個(gè)卸料口[3～5]。

2 整車(chē)結(jié)構(gòu)

整車(chē)由底盤(pán)總成、鋁合金車(chē)廂總成組成。底盤(pán)總成由行走機(jī)構(gòu)、鋁合金車(chē)架總成、空氣彈簧舉升系統(tǒng)、鋁合金支承裝置組成。鋁合金車(chē)廂總成由前后倉(cāng)兩個(gè)內(nèi)側(cè)翻地板、前圍工具箱總成、左側(cè)圍、右側(cè)圍、后門(mén)、頂棚六大部件組成。

3 底盤(pán)總成

3.1 鋁合金車(chē)架總成

鋁合金半掛車(chē)車(chē)架由不同截面鋁型材加工成型后，通過(guò)焊接+螺栓+鉚釘連接而成。包括左右縱梁、貫穿橫梁組件、加強(qiáng)橫梁組件、牽引板組件、鵝頸加強(qiáng)板、懸架加強(qiáng)組件等?？v梁和橫梁截面為工字型，選用6082 高強(qiáng)鋁合金擠壓型材，橫梁選用6061 鋁合金擠壓型材?？v梁橫梁組件通過(guò)拉鉚連接，永不松動(dòng)，跟焊接相比具有一定柔性，可承受車(chē)架更大的變形量。貫穿橫梁穿過(guò)縱梁腹板上仿形孔通過(guò)角鋁與縱梁螺接。牽引板組件由牽引板和連接架螺接而成，此處為鞍座支承面，工況比較惡劣，所以選用鋼制結(jié)構(gòu)，連接架由兩根縱梁和兩根橫梁焊接而成，與縱梁腹板通過(guò)過(guò)渡鋼板螺栓連接。懸架加強(qiáng)組件的作用是加強(qiáng)行走機(jī)構(gòu)懸架支架與車(chē)架連接部位，此處創(chuàng)新點(diǎn)是采用坡面過(guò)渡設(shè)計(jì)，并且加強(qiáng)組件在上下翼板之間不貫通，可使該部位應(yīng)力更均勻，實(shí)現(xiàn)柔性過(guò)渡[6～7]。圖1為車(chē)架模型，圖2為車(chē)架有限元分析結(jié)果。

圖1 車(chē)架總成

圖2 車(chē)架有限元分析結(jié)果

3.2 空氣彈簧舉升系統(tǒng)

空氣彈簧舉升系統(tǒng)是該車(chē)的核心控制部件（見(jiàn)圖3），布置在內(nèi)側(cè)翻地板下方，由電控系統(tǒng)、氣源、空氣彈簧舉升裝置三部分組成。電控系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)、電磁閥、壓力保護(hù)閥、快速排氣閥及電氣管路組成；氣源由若干個(gè)儲(chǔ)氣筒串聯(lián)而成，接通牽引車(chē)供氣管路；空氣彈簧舉升裝置由底部托架、空氣彈簧、導(dǎo)向板、連接板、限位裝置等組成，安裝在車(chē)架縱梁之間。

圖3 空氣彈簧舉升裝置

3.2.1 工作原理

考慮到半掛車(chē)長(zhǎng)度大，內(nèi)側(cè)翻地板如若做成一體，抗彎剛度較差，因此設(shè)計(jì)成前后兩個(gè)內(nèi)側(cè)翻地板，由前后倉(cāng)空氣彈簧舉升系統(tǒng)分別控制。卸料時(shí)先打開(kāi)卸料口，糧食自流，到達(dá)糧食堆積角后，自流結(jié)束。此時(shí)，啟動(dòng)提升開(kāi)關(guān)，電磁閥通電，打開(kāi)充氣通道，串聯(lián)儲(chǔ)氣筒組通過(guò)快速排氣閥給空氣彈簧充氣，舉升地板翻轉(zhuǎn)?？焖倥艢忾y連桿與地板連接并隨之旋轉(zhuǎn)，到達(dá)設(shè)計(jì)角度，連桿轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，快速排氣閥切斷氣源，地板側(cè)翻停止，此行程為卸料過(guò)程。反之，關(guān)閉提升開(kāi)關(guān)，空氣彈簧放氣，地板復(fù)原。舉升過(guò)程中由隨停開(kāi)關(guān)控制隨停電磁閥切斷氣源，空氣彈簧停止供氣，實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)翻地板隨停功能。

內(nèi)側(cè)翻地板的卸料角度設(shè)計(jì)很重要，要充分參考所運(yùn)輸?shù)募Z食堆積角。我國(guó)主要糧食品種有豆類(lèi)、玉米、稻谷和小麥，它們的堆積角分別為26°～30°、30°～32°、35°～37°和34°～36°。綜合考慮各種糧食的堆積角和運(yùn)輸?shù)募竟?jié)性、流動(dòng)性，內(nèi)側(cè)翻地板支起時(shí)，卸料角度設(shè)計(jì)為40°，以適用于各種散裝糧食的裝卸[2]。

電控系統(tǒng)中主要功能件有電磁閥、快速排氣閥、壓力保護(hù)閥3 種。儲(chǔ)氣筒選用鋁制品，容積60 L。根據(jù)空氣彈簧在最大行程時(shí)的體積計(jì)算所需儲(chǔ)氣筒數(shù)量，儲(chǔ)氣筒數(shù)量越多，內(nèi)側(cè)翻地板舉升速度就越快，但同時(shí)還需考慮車(chē)架上的安裝空間。

3.2.2 舉升載荷計(jì)算

選用運(yùn)輸量比較大的大豆作為貨物來(lái)計(jì)算。如圖4所示，當(dāng)打開(kāi)左側(cè)卸料口卸料，重力作用完成后，倉(cāng)內(nèi)大豆會(huì)形成30°的堆垛。單倉(cāng)內(nèi)長(zhǎng)6 m，內(nèi)寬2.4 m，堆垛最高點(diǎn)為1.373 m，計(jì)算可求得該30°堆垛容積為：

大豆密度ρ 按750 kg/m3計(jì)算，則該堆垛質(zhì)量為：

單倉(cāng)內(nèi)側(cè)翻自重m=370 kg

單倉(cāng)空氣彈簧需承載力G等于大豆重量加上內(nèi)側(cè)翻地板自重

圖4 大豆堆垛剖面

圖5 內(nèi)側(cè)翻地板受力橫截面圖

3.2.3 舉升力計(jì)算

如圖5 所示，假設(shè)空氣彈簧在a 點(diǎn)支撐力F與內(nèi)側(cè)翻及其承載大豆重力G關(guān)于鉸接點(diǎn)o 力矩平衡，那么可以得出如下平衡方程：

式中G=76.15kN，X=1327mm，算得F=87.4kN

即若要舉升起單個(gè)內(nèi)側(cè)翻地板，最大需要舉升力為87.4 kN。若設(shè)計(jì)2組空氣彈簧，則單組空氣彈簧舉升力不得低于43.7 kN。依據(jù)此數(shù)據(jù)選擇合適的空氣彈簧即可。

3.3 鋁合金支承裝置

支承裝置同樣選用6×××系鋁合金擠壓型材制作，采用了內(nèi)外套筒式簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)?？夸撝其N(xiāo)軸垂向限位，支腿可輕松收起和放下，實(shí)現(xiàn)半掛車(chē)甩掛功能。支承裝置總重30 kg，而傳統(tǒng)鋼制支腿重量約100～120 kg，采用鋁合金支腿后減重70%以上，可承受40 t靜載，且操作簡(jiǎn)便、快捷。

4 鋁合金車(chē)廂總成

4.1 內(nèi)側(cè)翻地板

內(nèi)側(cè)翻地板形如簸箕狀，前后兩個(gè)倉(cāng)（見(jiàn)圖6）。內(nèi)側(cè)翻地板與左側(cè)圍下邊梁通過(guò)鋼制合頁(yè)鉸接，前倉(cāng)后墻和后倉(cāng)前墻皆為可拆卸結(jié)構(gòu)，且后倉(cāng)后墻可向后翻轉(zhuǎn)90°，方便叉車(chē)從后門(mén)進(jìn)入車(chē)廂內(nèi)部裝卸貨物。

內(nèi)側(cè)翻地板作為舉升承力部件，其強(qiáng)度及剛度至關(guān)重要。采用中空鋁型材插接拼焊，插接處設(shè)置加強(qiáng)筋，后墻與地板連接處設(shè)計(jì)專(zhuān)用插接型材，前后活動(dòng)三角形墻兼具拉筋作用，活動(dòng)墻連接處與地板采用高強(qiáng)螺栓連接。

圖6 內(nèi)側(cè)翻地板

4.2 左右側(cè)圍、后門(mén)

左側(cè)圍由框架、前后兩個(gè)側(cè)門(mén)組成。側(cè)門(mén)底部均布若干卸料口，運(yùn)輸散裝糧食時(shí)，只需開(kāi)啟卸料口即可；運(yùn)送托盤(pán)、袋裝或輕拋貨物時(shí)，打開(kāi)側(cè)門(mén)或后門(mén)裝卸貨物。門(mén)體為骨架+內(nèi)外蒙皮+中填聚苯乙烯泡沫的三明治結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙皮選用430鐵素體不銹鋼，外蒙皮選用5×××系鋁板。

右側(cè)圍為固定結(jié)構(gòu)，同樣為三明治結(jié)構(gòu)，與左側(cè)圍通過(guò)貫穿橫梁與車(chē)架連接。后門(mén)除了無(wú)卸料口，其余結(jié)構(gòu)與左側(cè)圍一樣。左側(cè)門(mén)和后門(mén)為翼開(kāi)啟式，靠?jī)筛鶜鈴椈傻耐屏@鉸鏈旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和閉合，氣彈簧布置在門(mén)兩側(cè)的立柱上。

4.3 卸料口

地井直下式糧倉(cāng)卸料速度快，流量大；平房倉(cāng)傳送帶卸料速度慢，流量小，因此卸料口的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮適應(yīng)兩種卸料方式，同時(shí)控制裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單易操作，成本低。

卸料口由擋板、擋板開(kāi)關(guān)、合頁(yè)組件和鋼絲繩控制裝置組成。卸料口擋板用5×××系鋁板折彎制作，通過(guò)合頁(yè)組件與側(cè)門(mén)連接。每扇側(cè)門(mén)底部有5個(gè)卸料口，由一組鋼絲繩控制裝置控制。鋼絲繩控制裝置包括緊繩器、鋼絲繩、滑輪、掛鉤等組成。裝料時(shí)鋼絲繩在緊繩器棘輪棘爪的嚙合作用下張緊，卸料口關(guān)閉；卸料時(shí)先打開(kāi)全部或單個(gè)擋板開(kāi)關(guān)，再松開(kāi)緊繩器，卸料口擋板在糧食自流的沖擊力下被動(dòng)打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)快速卸料，擋板最大開(kāi)啟角度70°。實(shí)踐證明，5個(gè)卸料口同時(shí)打開(kāi)能滿足地井直下式卸料坑的高速卸料；單個(gè)卸料口卸料，可用于平房倉(cāng)皮帶傳輸機(jī)。

5 整車(chē)有限元分析

5.1 工況分析

有限元分析的目的是考量整車(chē)在靜止態(tài)及運(yùn)輸態(tài)的整車(chē)受力水平及位移，主要分析以下工況：

（1）垂直工況：模擬靜止或勻速行駛狀態(tài)，底部垂向2 mg，車(chē)廂前后左右內(nèi)壁施加靜水壓0.5 ρgh。

（2）扭轉(zhuǎn)工況：模擬惡劣路況，加載條件同垂直工況，同時(shí)后部右前輪胎懸空。

（3）制動(dòng)工況：前圍0.5 ρgh+0.3 mg，側(cè)圍0.5 ρgh，底部垂向mg。

（4）轉(zhuǎn)向工況：前后圍0.5 ρgh，左側(cè)圍0.5 ρgh+mgL/2 h，右側(cè)圍無(wú)載荷，底部底部垂向mg。

載質(zhì)量m=35 t，貨物仍以大豆為例，大豆密度ρ=750 kg/m3。半掛車(chē)輪胎外緣距離L=2 461 mm，滿載重心高度h=2 260 mm。

5.2 邊界條件

規(guī)定車(chē)輛前進(jìn)方向?yàn)閥軸，x軸垂直y軸指向車(chē)身左側(cè)，z 軸由右手法則確定。車(chē)架上部結(jié)構(gòu)邊界約束如下：約束牽引銷(xiāo)X、Y、Z 三個(gè)方向自由度以及牽引銷(xiāo)鞍座板Z向自由度，并裝三軸約束左側(cè)X、Z向及右側(cè)Z向自由度（見(jiàn)圖7）。

圖7 邊界約束條件

5.3 材料及單元類(lèi)型

有限元網(wǎng)格數(shù)量如表1所示，其中三角形數(shù)量占比1.1%，四面體數(shù)量占比0.5%。車(chē)身相應(yīng)鋁合金材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 單元類(lèi)型

表2 材料屬性

5.4 分析結(jié)果

垂直工況最大應(yīng)力位于左側(cè)圍門(mén)立柱與底邊梁連接部位，為241 MPa，最大位移10.49 mm。

圖8～圖11 是上述4 種工況時(shí)的應(yīng)力云圖和位移云圖。

圖8 垂直工況應(yīng)力云圖和位移云圖

圖9 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖和位移云圖

圖10 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖和位移云圖

圖11 轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力云圖和位移云圖

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合有限元分析車(chē)架及整車(chē)強(qiáng)度和剛度，試制后的鋁合金散裝糧食運(yùn)輸半掛車(chē)通過(guò)路試驗(yàn)證，其強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。

地板傾斜自卸半掛車(chē)和液壓自缷半掛車(chē)自重分別為8 t和10 t，而鋁合金散裝糧食運(yùn)輸半掛車(chē)比上述2種車(chē)型分別減重2 t和4 t，輕量化效果明顯。

這種鋁制散裝糧食自卸半掛車(chē)具有獨(dú)特的翼開(kāi)啟式側(cè)門(mén)和內(nèi)側(cè)翻地板卸料系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化卸料；適用于各種卸料場(chǎng)地，如地井式、平房倉(cāng)傳送帶等；可運(yùn)輸托盤(pán)、袋裝和輕拋貨物，避免返程空載。該車(chē)型實(shí)現(xiàn)了整車(chē)自重輕、載質(zhì)量高、自動(dòng)化卸料、運(yùn)輸貨物多樣化等功能，具備一定的創(chuàng)新性。